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의생명공학과

바이오산업동향

임플란트 표면 감염균 부착 막아줄 코팅 기술 개발
등록일
2020-10-30
작성자
의생명공학과
조회수
32

연세대 서정목 교수, 고려대 안암병원 장우영 교
연세대 서정목 교수, 고려대 안암병원 장우영 교수


표면의 나노구조체와 미끄러운 윤활유를 이용해 물이나 먼지 같은 오염물은 튕겨내고 벌레만 자루 속으로 끌어들이는 벌레잡이통풀 표면의 특성을 정형외과용 임플란트 소재에 적용, 감염균 부착을 막으려는 연구결과가 소개됐다.

한국연구재단은 서정목 교수(연세대학교 전기전자공학과), 장우영 교수(고려대학교 정형외과) 연구팀이 정형외과용 임플란트 소재의 감염이나 면역거부반응 우려를 낮출 표면코팅 기술을 개발했다고 밝혔다.

골절치료나 인공관절삽입 등에 쓰이는 금속소재 임플란트는 감염이나 염증을 막기 위해 표면에 항생제를 도포하는 방식이 주로 사용된다. 하지만 항생제 내성균에 의한 감염이나 염증과 신경 손상과 같은 약물 부작용, 항생제 자체에 대한 과민반응 등의 부작용에 대한 우려가 여전히 남아 있었다.

이에 수술 전후, 감염균이나 염증유발단백질의 부착을 막기 위한 하이드로겔 기반 표면코팅이 시도되었으나 정형외과용 임플란트 소재는 수술 중 강한 기계적 자극에 노출되는 데다 치료에 몇 주 이상 소요되는 정형외과 수술의 특성상 장기간 코팅 성능을 유지하지 못하는 기술적 어려움이 있었다.

연구팀은 정형외과용 임플란트 표면에 박테리아나 바이러스, 염증을 유발하는 면역단백질 등의 부착을 막을 수 있는 내구성이 강한 나노유막 코팅 기술을 개발했다. 개발된 코팅은 수술 중 생길 수 있는 기계적 손상에도 부착 방지 성능이 자가 치유(Self-healing)되는 특성을 갖는다. 또한 동물 모델의 체내에서도 코팅기능이 수 주간 유지되는 것으로 나타 났다.

이러한 특성은 표면의 나노구조체에 균일하게 도포된 윤활유 성분이 감염균이나 면역거부인자가 포함된 혈액의 흡착을 막아준 데 따른 것이다. 기존 임플란트 소재에 혈액을 떨어뜨리면 소재 표면에 잔여물을 남기며 흐르지만 나노유막 코팅 소재의 경우 표면에 잔여물을 전혀 남기지 않고 혈액이 굴러 떨어졌다.

나아가 실제 골절토끼모델의 임플란트 삽입 부위를 살펴본 결과 나노유막코팅이 적용된 임플란트에서는 감염이나 염증이 일어나지 않았다. 한편 골절된 부위의 골재생은 감염되지 않은 대조군과 동일하게 효과적으로 이뤄진 것으로 나타났다.

연구팀은 제안한 코팅기술을 금속 외 고분자 소재에도 적용할 수 있을 것으로 보고 비뇨기과용 도뇨관이나 스텐트, 삽입형 의료 전자기기 등으로의 응용가능성에 대한 후속연구를 진행할 계획이다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드 밴시스(Science Advances)’에 10월 29일 게재되었다.


주요내용 설명

<작 성 : 연세대학교 서정목 교수>

논문명
Anti-Bacterial Infection and Immune Evasive Coating for Orthopedic  Implants
저널명
Science Advances
키워드
Anti-bacterial infection(감염방지), Immune-evasive(면역부작용 회피), Foreign body respons(이물반응), Orthopedic implants(정형외과용 임플란트), Surgical site infection(수술부위감염)
저  자
서정목 교수(교신저자/연세대학교), 이순혁 교수(교신저자/고려대학교 의과대학), 채교민 석사(제1저자/연세대학교), 장우영 교수(제1저자/고려대학교 의과대학), 박기준 박사과정(제1저자/연세대학교), 이진혁(참여저자/고려대학교 의과대학), 김현철(참여저자/연세대학교), 이경분(참여저자/서울대학교 의과대학), 이창규(참여저자/고려대학교 의과대학), 이연택(참여저자/연세대학교)


1. 연구의 필요성
 ○ 고령화가 진행됨에 따라 고령환자를 대상으로 한 정형외과 임플란트 수술 또한 증가하고 있다. 이러한 수술 과정 중 감염은 수술 결과 및 환자의 예후에 큰 영향을 미치는데, 노인환자의 경우 감염 치료 및 재수술의 과정을 견디기에는 큰 무리가 있으므로 감염의 원천적 예방이 매우 중요하다.
 ○ 최근 의료기기 발전에 따라 임플란트에 항생제를 담지하거나 부착을 억제하는 코팅을 적용하는 형태의 연구가 진행되어왔으나 수술 중 강한 기계적 자극이 가해지고, 치료에 몇 주 이상이 소요되는 정형외과 수술의 특성상 장기간 체내에서 감염을 방지하는 기능을 유지할 수 없는 한계가 존재하였다.
 ○ 따라서 감염을 일으키는 감염균 및 면역 관련 세포·단백질의 부착을 원천적으로 방지하여 감염과 면역 부작용을 효과적으로 억제할 수 있는 정형외과용 임플란트 감염방지 코팅 기술에 대한 요구가 지속적으로 존재해왔다.

2. 연구내용
 ○ 본 연구진은 정형외과용 임플란트용 금속 소재에 나노구조를 형성 하고, 그 위에 박테리아와 단백질의 부착을 원천적으로 억제하고 손상에도 기능을 스스로 회복하는 능력을 가지는 윤활유막을 결합한 나노유막코팅 기술(Lubricated Orthopedic Implant Surfaces: LOIS)을 개발하였다.
 ○ 동물모델을 통해 실제 수술 중 임플란트에 가해지는 기계적 손상을 가해도 나노유막코팅의 자가치유 특성으로 인해 성능을 유지하는 것을 확인했다. 또한, 다양한 물성실험을 통해 나노유막코팅 형성 과정이 임플란트의 뼈를 지지하기 위한 기계적 특성에 미치는 영향은 적으며(3.4%p 이내) 실제 골절부위 치료과정에 도움을 주는 것을 확인하였다.
 ○ 나노유막코팅이 적용된 정형외과용 임플란트는 약물에 내성을 가지는 다양한 병원 감염균, 바이러스 및 면역부작용을 일으키는 단백질들의 부착을 원천 억제하는 것을 확인하였고, 체내에서 4주 이상 장기간 동작하며 부작용을 억제하고 골재생을 가능하게 하는 것을 확인하였다.
     * 나노유막코팅 : 벌레잡이통풀의 미세 구조체 및 윤활성 액체를 머금은 기능성 표면을 모사한 코팅을 의미한다. 나노유막코팅은 낮은 표면에너지를 가지는 윤활유의 미끄러운 표면 특성으로 인하여 감염 및 면역 부작용의 원인인 생체 물질(염증반응 인자, 병원 감염균)의 부착을 억제한다.
     * 정형외과 감염 : 수술 중 원인을 알 수 없는 이유로 부착된 병원균과 바이러스는 몸 안에서 세균 군집인 생물막(bio-film)을 형성하는데, 이는 항생제에 대한 강한 내성을 가지고 있어 항생제 투여를 통한 치료가 어렵다

3. 연구성과/기대효과
 ○ 정형외과 임플란트 수술시 발생할 수 있는 감염이나 면역거부 부작용 을 억제하는 나노유막코팅 기술에 대한 연구이다. 정형외과용 임플란트용 금속 뿐 아니라 도뇨관, 스텐트 등에 사용되는 다양한 의료용 고분자 재료에도 적용 가능할 수 있을 것으로 기대된다.
 ○ 추후 치료를 돕는 생체활성인자 및 약물을 나노유막표면과 결합함에 따라 감염과 면역거부반응을 억제함과 동시에 치료 효능을 높이는데 응용될 수 있기를 기대한다.


나노유막코팅 기술의 정형외과 임플란트 응용가능성 제시
그림 1. 나노유막코팅 기술의 정형외과 임플란트 응용가능성 제시
A. 골절시 뼈를 고정시키는 용도로 사용되는 금속 소재의 정형외과 임플란트에 적용된 나노유막코팅 기술의 모식도. 나노구조체가 형성된 임플란트 소재 표면에 부착 방지 특성을 갖는 윤활유층을 도입하여 수술 전후 감염균이나 면역거부인자의 부착으로 인한 부작용을 막아준다.
B. 병원균과 혈액단백질의 부착양상 비교. 나노유막코팅 표면에서는 형광으로 표지된 병원균과 혈액단백질의 부착이 저해되었다. (형광이미지)
C. 골절토끼모델의 임플란트 삽입 부위 비교. 감염 환경에서 일반 임플란트 소재는 100% 감염 되었으나, 나노유막코팅 임플란트 소재의 경우 감염 및 염증 증상이 전혀 일어나지 않았다. 
D. 골절토끼모델의 임플란트 삽입 후 치료양상 비교. 염증이 유발된 일반 소재는 골재생이 일어나지 않았으나, 나노유막코팅 임플란트 소재는 골절로 부러진 부분의 뼈의 재생이 효과적으로 이뤄졌다. (MicroCT 이미지)
제공 : 연세대학교 서정목 교수 연구팀


기존 임플란트 소재와 나노유막코팅이 적용된 임플란트 소재 특성 비교
그림 2. 기존 임플란트 소재와 나노유막코팅이 적용된 임플란트 소재 특성 비교
A. 기존 임플란트 소재에서는 혈액이 표면에 잔여물을 남기면서 흐른다.
B. 나노유막코팅 임플란트 소재에서는 혈액이 표면에 잔여물을 남기지 않고 굴러 떨어진다.
제공 : 연세대학교 서정목 교수 연구팀

 

연구 이야기

<작 성 : 연세대학교 서정목 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

삽입형 의료기기 이식 후 감염 및 면역거부 부작용을 겪는 사례가 예상 외로 심각하고, 자주 일어난다는 것을 접한 후 연구를 시작하게 되었습니다. 기존 연구들은 감염 및 면역거부 부작용이 발생한 후 약물을 방출하거나 향균 코팅으로 일시적으로 감염 발생을 억제하는데 그쳤습니다. 그러나 극심한 고통 및 염증반응을 유발하기 전에 미리 감염이나 부작용 발생을 억제하는 것이 중요합니다. 따라서 체내에서 장기간 지속적으로 부작용 유발 인자들의 임플란트 위 부착을  억제할 수 있는 기술이 필요 했습니다. 이를 위해 본 연구진은 감염균 및 염증반응 인자가 소재표면에 달라붙는 것을  원천적으로 억제할 수 있는 나노유막코팅 기술을 개발하여 정형외과용 임플란트에 적용해보고자 하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 코팅의 경우, 실제 수술 중 발생하는 기계적 마찰 및 자극에 쉽게 변형되고, 체내에서 장기간 성능을 유지할 수 없었습니다. 그에 반해, 나노유막코팅 기술이 적용된 정형외과용 임플란트는 실제 골절 토끼모델에서 4주 이상 감염 및 면역거부 부작용을 억제하는 한편, 골재생 효율은 그대로 유지할 수 있음을 처음으로 보여주었기에 그 의미가 남다르다고 할 수 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구에서 개발한 기술은 금속 뿐 아니라 고분자 소재에도 같은 수준으로 적용이 가능하다는 점에서 실용화에 아주 유리합니다. 향후 도뇨관과 스텐트와 같은 고분자 재질로 이루어진 의료기기에도 적용하는 연구를 진행하려고 합니다. 또한 체내에 삽입되어 전기적/기계적 자극을 가하여 조직의 재생 및 치료를 돕는 전자약의 체내 삽입 후 부작용을 감소시킬 수 있어 그 효용성이 매우 클 것으로 기대됩니다. 향후 실용화를 위해서는 의료현장 수요를 반영할 수 있는 혁신 제품 개발 및 기술의 국산화 과제, 그리고 첨단 기술을 의료기기와 융합하는 융합연구 과제가 필요하다고 생각되며, 인허가를 위한 지원도 필요합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

본 연구진은 개발한 나노유막코팅 기술을 다양한 임상용 의료기기에 적용하고 이를 상용화 함으로써 실제 수술환경에서 감염 및 면역거부 부작용을 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 치료를 돕는 생체활성인자 및 약물을 나노유막표면과 결합시켜 감염 및 면역거부 부작용을 억제할 뿐 아니라 치료의 효능 또한 극대화하는 차별화된 기술 개발을 계획하고 있습니다.

 

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